Modelling and simulation of cutting tool wear in machining operations : Experimental and numerical approach

Les conséquences induites par la coupe, en termes de contraintes résiduelles, dépendent fortement des conditions opératoires et de l'évolution de l'usure des outils de coupe. Cette usure est en effet un phénomène complexe à étudier du fait de la multitude de ses origines notamment physico-chimiques (affinités entre certains matériaux constituants du couple plaquette/ pièce, etc.) ou thermo-mécaniques (abrasion, diffusion, adhésion, etc.). Egalement, l’usure des outils de coupe induit un impact considérable sur le déroulement de l’opération de coupe : augmentation des efforts de coupe, des vibrations… Dans ce contexte, ce projet de thèse a pour but d’élaborer un modèle de coupe par éléments finis, sous le code de calcul ABAQUS©, permettant de simuler l’usure des outils de coupe. Il s’intéresse au cas de la coupe orthogonale de l’acier faiblement allie 42CrMo4, très utilisé dans le milieu industriel, et ce par un outil en carbure de tungstène non-revêtu. Le fait que l’usure de l’outil se manifeste au bout de quelques minutes d’usinage nécessite le développement en amont d’une procédure permettant d’augmenter la durée d’usinage simulée : Modélisation baptisée « verticale ». L’usure est, en effet, prise en compte par l’implémentation de la loi d’Archard. Pour ce faire, une stratégie de modélisation alliant ABAQUS/explicit© et l’outil de programmation python© a été mise en oeuvre. Elle repose sur la relocalisation des noeuds de la surface de l’outil après calcul des profondeurs d’usure via la loi d’Archard. Cette dernière dépend de la pression de contact et des vitesses de glissements à la surface de l’outil et d’un coefficient d’usure k. Ce dernier est déterminé via des essais d’usure expérimentaux.The quality of finished products is one of the most important concerns of manufacturers. In fact, surface integrity is strongly related to several machining parameters such as cutting conditions, environment and especially tool wear evolution. The latest has been the subject of many researches during last decades but the majority of them were based on experimental tests and still valid for restricted cutting conditions. The lack of efficient models to simulate tool wear is explained by the fact that it is a complicated phenomenon to deal with due to different origins it can result from (abrasion, diffusion, adhesion…). In this context, the main purpose of the proposed research work is to develop a Finite Element Model based on the commercial code ABAQUS© to simulate wear phenomenon of an uncoated tungsten carbide tool insert. The study focuses on the case of orthogonal cutting operation of AISI 4140 and studies the impacts of tool wear on final functional surface integrity. The developed cutting model is based on a lagrangian description of the mesh movement. A damageable zone in the workpiece is considered to simulate the chip formation. Since tool wear occurs after several minutes, a procedure to increase the machining time simulated, named “VErtical Modeling of CUTting” (VEMCUT), is developed. The wear occurred on tool insert is taken into account by the implementation of the Archard law in Abaqus. Wear depth values are computed on each node of tool surface then a procedure for tool nodes relocation is applied. Wear coefficient needed for calculation is determined via non-lubricated experimental wear tests